某型内燃机低温启动性能初步研究

吴瑞斌，王盘龙，曲其磊，韩云龙，代 伟，张佳琪，齐 凤

（中国石油集团济柴动力有限公司，山东济南 250306）

0 引言

中国石油集团济柴动力有限公司研制的某型内燃机，作为钻井动力广泛应用于各大油田。以塔里木油田为例，其冬季最低环境温度可达-40，该型内燃机存在低温、超低温启动的工况。由于低温启动时，存在气缸漏气量大、滑油黏度高、发散热量多等问题，往往无法达到维持缸内点火的最低稳定转速。因此，对该型内燃机的低温启动性能进行分析研究，有利于解决首次启动困难的问题[1]。

1 低温启动过程分析与优化设想

1.1 低温正常启动过程

该型内燃机在低温启动正常时，首先进行预供油，然后启动马达拖动内燃机转动，在吸气冲程吸入新鲜空气，压缩冲程使缸内温度初步提高。当出现首个做功冲程后，此时的高温废气对气缸内外进行加热，并推动曲轴转动。排气冲程的高温废气进入涡轮增压器，增压空气被压缩时温度升高。当进入到下一个吸气冲程时，部分高温废气混合空气，使混合气温度进一步提高。如此往复循环，使内燃机的转速逐步提高，缸内压力和压缩终点温度逐步增高，当各缸可稳定点火时，启动马达在预设时间退出，此时内燃机逐步达到最低稳定转速[2-3]。

1.2 低温启动失败的影响因素

一般来讲，低温启动时存在气缸漏气量大、滑油黏度高、摩擦系数高、发散热量多和燃油密度高等问题。但是，内燃机各缸能否稳定点火与缸内温度、缸内压力和混合气浓度密切相关。

如果缸内温度过低，往往使燃油雾化不充分、混合气的化学反应和热运动变缓，不能达到燃油的燃点，如此时启动马达在预定时间退出，则启动失败。

如果缸内压力过低，气缸内的混合气密度降低，点火对缸内温度提出更高的需求，也是造成低温启动失败的原因之一。

在一定的压力和燃料特性下，混合气的可燃浓度范围随温度的降低而变窄。如果缸内温度过低，混合气浓度在超出可燃浓度的上下限时，亦不能正常点火，造成低温启动失败。

1.3 针对低温启动失败的优化设想

（1）对内燃机加装油、水加热装置，强制循环预热，使机组启动前的整机温度达到理想状态。

（2）对启动马达进行优化，通过改变启动转速，改善缸内压力状态，提升内燃机的低温启动性能。

（3）通过改变缸内压缩比，提高缸内压力、混合气浓度和温度，提升低温启动性能。

（4）对配气正时进行优化，控制充气效率、废气系数和气缸内压缩温度，改善低温启动性能。

（5）通过优化喷油参数，如缸内喷油量、喷射角度、喷射压力和喷油正时设定等，使燃油雾化更加充分，进而影响点火时间和火焰传播状态，改善缸内燃烧，从而优化内燃机低温启动性能。

2 低温启动优化试验验证

2.1 加装油、水预热装置

表1 预热后进气温度对内燃机低温启动影响

表1 为预热后进气温度对内燃机低温启动的影响，其中，t进为进气温度，Tmax为缸内最高温度，充为充气效率，r残为残余废气系数。

根据经验，在缸内最高温度达到约700 K 时可认为点火成功，此时进气温度约10。通过逐步提高进气温度，缸内最高温度显著提高，但启动初期的充和r残变化不大。由于强制油、水加热循环，润滑充分，启动摩擦因数得到降低。加装油、水预热装置可有效改善该型内燃机的低温启动性能[2]。

2.2 提高启动转速

该型内燃机低温启动时，由于活塞的运动速度较低、活塞环与气缸壁的气隙较大，导致缸内漏气量较高，当缸内温度和压力降低到一定数值会导致点火失败。但缸内漏气随转速的增加和缸内温度的升高而降低。有必要研究启动转速对低温启动性能的影响。

图1 启动转速对缸内漏气率的影响曲线

图2 未预热启动转速对缸内最高温度影响曲线

2.3 提高缸内压缩比

内燃机压缩比是影响机组综合性能的重要指标之一，因此设想通过提高内燃机压缩比来提高缸内压力、混合气浓度和温度，改善低温启动性能[1-2]。在进气温度为0时，内燃机压缩比对缸内最高温度的影响如图3 所示。在进气温度为0时，内燃机压缩比对缸内最高压力的影响如图4 所示。

图3 压缩比对缸内最高温度影响曲线

图4 压缩比对缸内最高压力影响曲线

试验数据显示，压缩比增加使缸内最高温度和压力上升。在压缩比提高到15 时，缸内最高温度达到700 K。由此可知提高压缩比，有利于提高低温启动性能。

限于试验条件，未对优化配气正时和喷油参数的设想进行试验验证。

3 结语

通过试验验证得出，增加油水预热装置、提高启动转速、增加压缩比均有利于该型内燃机的低温启动能力，达到了初步掌握了该型内燃机低温启动影响规律的目的。下一步计划改善试验条件和方法，对优化配气正时和喷油参数进行试验验证。